Во всех типах простейших есть виды не с одним ядром, а со многими. У некоторых амёб их четыре или восемь, а среди солнечников известны виды более чем со 100 ядрами! У некоторых протозоев и хромосом очень много: сотни, а у радиолярий даже тысячи!
В клетках животных и некоторых низших растений еще в прошлом веке были открыты центриоли — едва заметные блестящие тельца — и так называемый аппарат Гольджи. Назначение этого странного органа еще не вполне ясно.
Итак, протоплазма, ядро, оболочка, центриоли и аппарат Гольджи — вот основные микрочастицы, которые удалось обнаружить в обычный оптический микроскоп в атоме жизни — живой клетке.
В 1932 году немцы Кюлл и Руски изобрели электронный микроскоп. В нем вместо стеклянных линз линзы электромагнитные, а вместо света течет поток электронов. Предметы, которые хотят увидеть, рассматривают на экране, похожем на экран телевизора. Электронный микроскоп дает полезное увеличение в 300 тысяч раз. И это не предел.
Схема клетки с органеллами, увиденными в электронный микроскоп
Митохондриями назвали эти поперечно-полосатые тельца. Они есть во всех клетках. И в не малом числе: обычно их около тысячи или несколько тысяч. Роль митохондриев очень ответственна. Они «энергетические станции» жизни. Без них клетка мертва и бездеятельна, как машина без горючего. Митохондрии преобразуют энергию химических связей в энергию жизни. Без шума, без нагрева и без давления сжигают митохондрии топливо жизни, в удобных «расфасовках» передают заключенную в нем энергию другим органеллам клетки. И те оживают, получив горючее.
В энергетических установках, созданных человеком, все не так: там грохот машин, жар печей, громады труб.
Пламя, которое пылает в митохондриях, не жжет. Работают они бесшумно и очень продуктивно: более 50 процентов энергии окисленного топлива идет на полезные дела, совершающиеся в клетке. В технике нет ни одной машины, которая работала бы с такой отдачей. Обычно лишь одну треть тепловой энергии горючего удается людям превратить в своих машинах в полезную работу.
Растения, счастливые обладатели хлорофилла, в буквальном смысле слова питаются солнечным светом и воздухом. Вернее, углекислым газом, извлеченным из воздуха. Процесс этот называется фотосинтезом — созиданием с помощью света.
Из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды создают растения одну молекулу глюкозы. Глюкоза соединяется с глюкозой. Шесть тысяч молекул образуют одну полимерную молекулу крахмала. Зерна крахмала, запасенные растениями в своих тканях, главным образом в клубнях и семенах, и есть необходимые для всего живого на Земле «солнечные консервы». В них в виде химических связей молекул глюкозы поймана и аккумулирована энергия Солнца. Каждый год зеленые одеяния наших материков улавливают и консервируют столько энергии Солнца, сколько могут дать 200 тысяч мощных электростанций, таких, как Куйбышевская. Два квадрильона киловатт-часов!
Эта энергия питает все живые клетки, все живые организмы — от вируса до человека (кроме некоторых хемотрофных бактерий, которые живут за счет химической энергии неорганических веществ). Это, если можно так сказать, валовая энергия жизни, потому что ее с избытком хватает не только для существования самих растений, но и для всех животных, которые, не имея хлорофилла, вынуждены для поддержания жизни заимствовать энергетические ресурсы у растений. А те берут их у Солнца. Значит, все мы, живые существа, в конечном счете «едим» солнечный свет.
Что такое свет, первоисточник энергии, питающей жизнь? Шутники говорят, что свет — самое темное место в физике.
Действительно, много в его природе удивительного и непонятного. Однако физики неплохо в нем разобрались. Свет — это поток мельчайшей из микрочастиц, из которых в конечном итоге сложены все атомы, весь мир. Фотон — имя этой частицы. Называют его и квантом света. Частица без заряда, без массы покоя — сплошной сгусток энергии в минимальной расфасовке.
Когда свет, иначе говоря фотоны, падает сквозь полупрозрачную кожицу листьев на хлорофилловые зерна, молекулы хлорофилла их поглощают. Электроны этих молекул получают от фотонов дополнительную порцию энергии и переходят, как говорят физики, на более высокий энергетический уровень. Состояние это для них неустойчивое, и электроны стремятся вернуться в более устойчивую энергетическую фазу, отдав кому-нибудь избыток полученной от света энергии.
Поэтому выделенный из клетки хлорофилл тут же испускает фотоны обратно — светится, как светятся все фосфоресцирующие вещества, в которых химическая энергия превращается в световую. Значит, хлорофилл в пробирке не может удержать пойманную энергию света. Она здесь быстро рассеивается, как в батарейке, если замкнуть накоротко ее электроды.
Так и хлорофилл в пробирке испытывает как бы короткое замыкание, и накопленная энергия расточается без пользы в пространство.
Иное дело в клетке — там в энергосистему хлорофилла включается длинная серия особых веществ, которые по замкнутой цепи реакций передают друг другу «горячие», то есть возбужденные, богатые энергией электроны. Проделав этот путь, электроны постепенно «остывают», избавляются от избытка энергии, полученной от фотонов, и возвращаются опять на старт — на свои места в молекуле хлорофилла. И она с этого момента снова способна поглощать фотоны.
А избыточная энергия, потерянная ими, и есть та таинственная «жизненная сила», о которой много спорили натурфилософы прошлых веков. Питаясь ею, жизнь существует.
Потерянную «горячими» электронами энергию в клетке быстро подхватывают вещества-энерготранспортеры. Они функционируют по принципу аккумуляторной батареи: одни, заряжаясь энергией, переносят ее ко всем жизнедействующим органам клетки, где возникает потребность в энергии. Там они разряжаются и в виде уже несколько иных веществ, с более бедными энергией химическими связями, снова возвращаются к хлорофиллу на подзарядку.
Аденозиндифосфат, или сокращенно АДФ, и аденозинтрифосфат (АТФ) циркулируют в клетке между источником — хлорофиллом — и потребителями, разнося небольшими порциями энергию.
АДФ — разряженная форма. Она заряжается, присоединяя одну фосфатную группу, и превращается в АТФ. В результате этого превращения энергия света преобразуется в энергию химических связей. Ведь АТФ на целую фосфатную группу богаче энергией, чем АДФ.
В тех органеллах клетки, где идет синтез глюкозы, белков, жиров или другие процессы, поглощающие энергию (мышечная работа, мышление, деление ядер и прочее), АТФ, потеряв фосфатную группу и вместе с ней часть энергии, снова превращается в АДФ.
И так без конца!
Биохимики еще не знают в точности, какие вещества — проводники электронов включаются в замкнутую цепь вокруг хлорофилла и, передавая друг другу «горячие» электроны, так сказать, «остужают» их. Извлеченную из электронов энергию они отдают на приготовление АТФ из АДФ.
АТФ и АДФ — универсальные переносчики энергии в клетке, и в растительной и в животной. Благодаря их трудам в растениях идет изготовление глюкозы, жиров и белков. И в клетках животных энергию, извлеченную из этих веществ, разносят ко всем потребителям тоже молекулы АТФ.
Но прежде чем добыть из консервов энергию, нужно их вскрыть. Какой же консервный нож изобрела природа?
Нож этот — кислород! Окисляя органические вещества, медленно сжигая их в своих топках, клетки освобождают скрытую в них энергию.
Горение — это цепная реакция окисления. При нем сразу выделяется слишком много энергии. Ясно, что для клеток эта цепная реакция не годится, иначе они и сами сгорят. Здесь энергия должна поступать такими ультрамалыми дозами, чтобы молекулы не разрушались, вещества-транспортеры успевали ее всю разносить по потребителям, а клетка не перегревалась.
Консервы «расконсервируются» поэтапно. Сначала от глюкозы, например, отрываются два атома водорода и соединяются с кислородом. Образуется вода, и освобождается энергия, которую тут же подхватывают молекулы АДФ и, обратясь в АТФ, следуют по назначению. Затем еще два атома водорода в соединении с кислородом дают жизнь воде и полезной энергии и т. д. Когда весь водород кончается, вещества-регуляторы направляют кислород на атомы углерода. В результате имеем углекислый газ и опять освобожденную энергию.
Вещества-регуляторы, которые только что были упомянуты, — это окислительные ферменты, иначе говоря, катализаторы. Без них медленное «горение» невозможно. Они работают по конвейерной системе, располагаясь цепочкой в строгом порядке. Около шести разных ферментов передают друг другу атомы сжигаемого горючего. При каждой передаче освобождается небольшая порция энергии, заключенной в химических связях солнечных консервов.
Где же работают конвейеры окислительных ферментов? В каких топках сжигают клетки топливо жизни?
В митохондриях. Пора нам к ним вернуться.
Митохондрия похожа на сосуд с жидкостью, полость которого разделена неполными перегородками. В перегородках, во внутренней стенке и в жидкости, наполняющей митохондрию, помещаются конвейерные линии ферментов, расщепляющих глюкозу и заряжающих молекулы АДФ энергией. От 5 до 10 тысяч конвейерных линий в каждой митохондрии!
Уже после того, как митохондрии были открыты, электронный микроскоп помог биологам обнаружить в клетке еще одни очень важные для жизни частицы — мельчайшие тельца — рибосомы. Рибосомы — это ультрамалые, размером в сотые доли микрона, центры производства белка. В них из аминокислот создаются белки.
Аминокислоты — органические вещества, содержащие одновременно кислую и щелочную группы. В настоящее время их известно немногим больше двадцати. Соединяясь в разных сочетаниях друг с другом, аминокислоты образуют молекулы белков. В нашем теле десятки тысяч разносортных белков, и все они сложены из двух десятков аминокислот, соединившихся в каждом белке в характерной только для него последовательности.
Лишь недавно биохимики составили достаточно ясное представление о том, как идет такой синтез.
Прежде всего, как и для всякого другого производственного процесса, для синтеза белков необходимо сырье. Оно есть — аминокислоты. Растительные клетки создают их сами, в митохондриях, а клетки животных многие аминокислоты получают из переваренной пищи.
Нужны рабочие. Есть и они — ферменты. Нужна энергия — мы уже знаем, откуда она берется. Солнце и молекулы АТФ доставляют ее. Ферменты активизируют аминокислоты, а проще говоря, помогают им получить энергию от АТФ.
Молекула АТФ разрывается, и обе ее части соединяются с аминокислотой и ферментом в единый комплекс. Когда АТФ разрывается, энергия химических связей, скреплявшая ее, отдается аминокислоте. Та переходит на более высокий энергетический уровень и поэтому более энергично и активно вступает в химические реакции.
Вот тут в игру и входит РНК — рибонуклеиновая кислота. Ее роль в синтезе белков исключительно важна. РНК выступает в двух лицах: РНК-переносчик транспортирует активизированную аминокислоту к другой РНК — матрице, которая диктует порядок сборки белка из аминокислот.
РНК-матрицы — они значительно длиннее транспортных — располагаются главным образом в рибосомах. Здесь идет массовое производство белков. Только некоторые особые белки синтезируются, по-видимому, в ядре и в митохондриях.
Итак, РНК-транспортер доставляет аминокислоту, предварительно наделенную нужной дозой энергии, прямо к РНК-матрице. Аминокислота на ее поверхности может удержаться не где попало, а только на строго определенном месте. Для каждой из двадцати аминокислот на поверхности синтезирующей белок РНК приготовлена своя якорная стоянка. Никакая другая аминокислота ее занять не может.
Каждые полсекунды аминокислота ложится к аминокислоте, всегда на свое место. Десятки и сотни, даже тысячи аминокислот выстраиваются в ряд на поверхности РНК. Затем аминокислоты соединяются друг с другом в длинную цепь, и готовая молекула белка соскакивает с нуклеиновой матрицы. Порядок построения аминокислот на РНК, а иначе говоря, формула будущего белка зависит от химической структуры той РНК, на поверхности которой они выстраиваются.
А эту структуру, эту матрицу как бы штампует по своему образу и подобию дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК. РНК, химический шифр которой руководит синтезом белка, — сама слепок, копия с ДНК. Молекула РНК «представляет собой как бы приводной ремень, передающий информацию от ядра к рибосомам», — говорит крупнейший наш генетик Николай Петрович Дубинин. А ДНК — это оригинал. Это первоисточник генетической информации. В ДНК и скрыта наша наследственность: алфавитом, в котором всего четыре буквы, и всеми словами, сложенными из них, трехбуквенными, закодированы в ней врожденные свойства живого организма.
Как закодированы?
Приблизительно так же, как человеческие мысли шифруются и передаются от человека к человеку в словах каждого языка. Все идеи человечества, все его бытовые навыки и все знания закодированы в какой-нибудь сотне тысяч слов. Каждое слово, или кодовая группа, состоит из букв. Их немного, несколько десятков. Буквы образуют алфавит. Таким образом, все богатства человеческой мысли, накопленные за тысячелетия, весь этот необъятный, казалось бы, арсенал знаний и идей может быть выражен, сохранен на полках библиотек и передан следующим поколениям в сочетаниях всего лишь нескольких десятков букв, или, как говорят кибернетики, символов.
Но та же самая сверхобширная информация может быть выражена еще меньшим числом букв — всего двумя символами. Примером служит азбука Морзе, в которой различная последовательность точек и тире способна передать все мысли человеческие.
У ДНК алфавит четырехбуквенный. Буквами служат особые химические соединения — азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Кодовыми группами, или словами, — их сочетания в молекулы ДНК. Как в азбуке Морзе определенное чередование тире и точек составляет фразу.
Из скольких же букв, скольких азотистых оснований составлены передающие наследственную информацию слова?
Проще всего в этом разобраться на примере синтеза белков. Ведь первое звено в длинной цепи построения организма по плану, заключенному в наследственности, это созидание специфических для него белков.
Все белки, а их великое множество сортов и разновидностей, строятся на РНК из двадцати аминокислот. Я уже говорил об этом. Так вот, каждая аминокислота занимает свое место на РНК напротив соответствующей ей кодовой группы, то есть соответствующего сочетания азотистых оснований.
Их всего четыре, а аминокислот двадцать. Значит, каждую аминокислоту не может кодировать одно-единственное основание — однобуквенное слово в генетическом лексиконе.
Может быть, двухбуквенное подойдет? Нет, и двухбуквенных мало: ведь аминокислот двадцать, а из четырех букв можно образовать только шестнадцать двухбуквенных слов.
А вот трехбуквенных будет достаточно, и даже с избытком. Ведь каждый из наших четырех символов А, Т, Г, Ц, которыми мы обозначили кодовые азотистые основания, может быть и первой, и второй, и третьей буквой в трехбуквенном слове. Нетрудно подсчитать, что таких слов шестьдесят четыре.
Шестьдесят четыре, а аминокислот-то всего двадцать! Значит, сорок четыре слова-триплета в генетическом языке ДНК лишние?
Впрочем, едва ли. Возможно, что некоторым наиболее часто повторяющимся в белке аминокислотам соответствует не одна, а несколько разных кодовых групп. Одна и та же аминокислота может сесть на поверхность РНК и там, где друг за другом следуют азотистые основания в такой, говоря к примеру, последовательности — АГЦ и в такой — АЦГ, но нигде больше: никакое другое слово генетического алфавита ее не привлечет.